Bài 20. LỰC TỪ - CẢM ỨNG TỪ

A. TÓM TẮT LÍ THUYẾT

I. Lực từ

1. Từ trường đều

Từ trường đều là từ trường mà đặc tính của nó giống nhau tại một điểm: các đường sức từ là những đường thẳng song song, cùng chiều và cách đều nhau.

2. Xác định lực từ do từ trường đều tác dụng lên một đoạn dây dẫn có dòng điện

Trong một từ trường đều có các đường sức từ thẳng đứng, ta đặt một đoạn dây dẫn $M_{1}M_{2}$ = l vuông góc với các đường sức từ. Giả sử $M_{1}M_{2}$ được treo nằm ngang nhờ hai dây dẫn mảnh cùng độ dài $O_{1}M_{1}$ = $O_{2}M_{2}$, có hai đầu $O_{1}$ và $O_{2}$ được giữ cố định. Dòng điện đi vào $O_{1}$ và đi ra $O_{2}$ qua dây dẫn $M_{1}M_{2}$ theo chiều từ $M_{1}$ đến $M_{2}$.

Dưới tác dụng của trọng lực $m\vec{g}$ và lực từ $\vec{F}$, khi cân bằng, tổng $m\vec{g}$ + $\vec{F}$ trực đối với lực căng $\vec{T}$ của hai dây treo. Hai dây $O_{1}M_{1}$ và $O_{2}M_{2}$ lệch góc $\alpha$ so với phương thẳng đứng. Lực $\vec{F}$ có cường độ được xác định bởi công thức:

F = mgtan$\alpha$

II. Cảm ứng từ

1. Cảm ứng từ là đại lượng vật lí đặc trưng cho từ trường tại một điểm về phương diện tác dụng lực, kí hiệu là B.

Trong hệ SI, cảm ứng từ có đơn vị là tesla (T).

2. Cảm ứng từ được biểu diễn bằng một vectơ gọi là vectơ cảm ứng từ, kí hiệu là $\vec{B}$. Vectơ cảm ứng từ tại một điểm có:

- Hướng trùng với hướng của từ trường tại điểm đó.

- Độ lớn B = $\frac{F}{Il}$ với F là lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn có chiều dài l đặt vuông góc với các đường sức từ, cường độ dòng điện qua dây dẫn là I.

3. Lực từ $\vec{F}$ có điểm đặt tại trung điểm của $M_{1}M_{2}$, có phương vuông góc với $\vec{l}$ và $\vec{B}$, có chiều tuân theo quy tắc bàn tay trái và có độ lớn:

F = I.l.B.sin$\alpha$

B. MỘT SỐ VẤN ĐỀ CẦN LƯU Ý

1. Hiểu được thế nào là từ trường đều.

2. Nêu được ý nghĩa vật lí của cảm ứng từ và đặc điểm của vectơ cảm ứng từ tại một điểm.

3. Xác định được lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn có chiều dài l, cường độ dòng điện I đặt trong từ trường có cảm ứng từ $\vec{B}$.

C. ĐỀ BÀI TẬP

Bài 1

Chọn câu sai.

Lực điện từ tác dụng lên phần tử dòng điện

A. tỉ lệ với cảm ứng từ

B. tỉ lệ với cường độ dòng điện

C. tỉ lệ với góc hợp bởi $\vec{l}$ và $\vec{B}$

D. tỉ lệ với chiều dài đoạn dây dẫn mang dòng điện

Bài 2

Chọn câu sai.

Lực điện từ tác dụng lên dây dẫn có dòng điện chạy qua đặt vuông góc với đường sức từ sẽ thay đổi khi

A. cảm ứng từ thay đổi

B. dòng điện đổi chiều

C. từ trường đổi chiều

D. dòng điện và từ trường đồng thời đổi chiều

Bài 3

Hình nào sau đây đúng với quy tắc bàn tay trái?

Bài 4

Chọn câu đúng.

Đặt bàn tay trái cho đường sức từ xuyên vào lòng bàn tay, ngón cái choãi ra 90° chỉ chiều dòng điện thì chiều của lực từ tác dụng lên dòng điện

A. theo chiều từ cổ tay đến bốn ngón tay

B. cùng chiều với ngón cái choãi ra 90°

C. ngược chiều từ cổ tay đến các ngón tay

D. theo chiều của đường sức từ

Bài 5

Một đoạn dây dẫn dài 5cm có dòng điện 10A chạy qua chịu tác dụng của lực từ 50.$10^{-3}$N khi đặt nó vào trong từ trường có cảm ứng từ vuông góc với đoạn dây dẫn. Tính cảm ứng từ $\vec{B}$.

Bài 6

Một đoạn dây dẫn có chiều dài 0,5m có dòng điện 2A chạy qua đặt trong từ trường B = 0,01T chịu tác dụng của lực từ 5.$10^{-3}$N. Tìm góc hợp bởi cảm ứng từ và đoạn dây dẫn có dòng điện trên.

Bài 7

Đặt một đoạn dây dẫn AB có chiều dài l = 10cm trong một từ trường đều B = 2.$10^{-4}$T. Vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$ có phương nằm ngang (hình vẽ). Dòng điện qua dây dẫn I = 2A.

a) Để lực từ tác dụng lên đoạn dây AB có giá trị nhỏ nhất thì đoạn AB có phương hợp với phương vectơ cảm ứng từ một góc là bao nhiêu?

b) Khi đoạn dây AB hợp với phương vectơ cảm ứng từ một góc $\alpha$ bằng bao nhiêu thì lực từ tác dụng lên đoạn dây là cực đại. Tính giá trị cực đại đó.

Bài 8

Một khung dây ABCD được đặt trong từ trường đều giới hạn trong vùng MNPQ (hình vẽ). Cho biết: B = 0,5T, I = 2A và cạnh CD = 4cm. Tính lực từ tác dụng lên khung, khung dịch chuyển về hướng nào?

Bài 9

Một khung dây dẫn hình chữ nhật có kích thước 60cm x 40cm. Cho dòng điện 5A chạy qua khung, khung được đặt trong từ trường đều có phương vuông góc với mặt phẳng của khung có độ lớn B = 0,1T. Hãy xác định:

a) Lực điện từ tác dụng lên mỗi cạnh của khung.

b) Lực điện từ tổng hợp tác dụng lên khung.

Bài 10

Một đoạn dây dẫn thẳng AB chiều dài l = 20cm, khối lượng 50g, được treo bằng hai dây dẫn nhẹ thẳng đứng và đặt trong một từ trường đều B = 0,5T có cảm ứng từ $\vec{B}$ vuông góc với mặt phẳng chứa đoạn dây AB.

Xác định chiều và độ lớn của dòng điện I chạy qua dây để lực căng của dây treo bằng không. Lấy g = 10 m/$s^{2}$.

D. HƯỚNG DẪN GIẢI

Bài 1. C

Bài 2. D

Bài 3. B

Bài 4. C

Bài 5

Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn:

F = B.I.l.sin$\alpha$ ⇒ B = $\large \frac{F}{I.l.sin\alpha }$

Do $\alpha$ = 90° ⇒ sin $\alpha$ = 1 ⇒ B = $\large \frac{5.10^{-2}}{10.5.10^{-2}}$ = 0,1T

Bài 6

F = B.I.l.sin $\alpha$ ⇒ sin $\alpha$ = $\large \frac{F}{B.I.l}$ = $\large \frac{5.10^{-3}}{0,01.2.0,5}$ = 0,5

⇒ $\alpha$ = 30°

Bài 7

Áp dụng công thức: F = B.I.l.sin$\alpha$

a) Lực từ có giá trị nhỏ nhất ⇒ F = 0 ⇒ sin$\alpha$ = 0.

⇒ Đoạn dây dẫn AB song song với vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$.

b) Lực từ có giá trị cực đại khi sin$\alpha$ = 1 hay $\alpha$ = 90°, nghĩa là đoạn dây dẫn AB vuông góc với vectơ cảm ứng từ.

Lúc đó $F_{max}$ = B.I.l = 2.$10^{-4}$.2.$10^{-1}$ = 4.$10^{-5}$N

Bài 8

Lực từ tác dụng lên 2 cạnh BC và AD có phương chiều như hình vẽ.

⇒ Lực từ tác dụng lên khung là lực $\vec{F}_{DC}$ có phương chiều như hình vẽ và có độ lớn:

$F_{DC}$ = B.I.CD = 0,5.2.4.$10^{-2}$ = 4.$10^{-2}$N

Hay F = 0,04N, lực từ làm cho khung dịch về bên trái.

Bài 9

Giả sử dòng điện I, vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$ có phương, chiều như hình vẽ.

a) Lực từ tác dụng lên cạnh AB, CD có phương chiều như hình vẽ (dùng quy tắc bàn tay trái) và $F_{AB}$ = $F_{CD}$ = I.B.AB = 5.0,1.0,4 = 0,2N

+ Lực từ tác dụng lên cạnh BC và DA có phương chiều như hình vẽ, và:

$F_{BC}$ = $F_{DA}$ = I.B.BC = 5.0,1.0,6 = 0,3N

b) Lực từ tổng tác dụng lên khung:

Bài 10

Dây cân bằng: $\vec{P}$ + $\vec{F}$ + $\vec{T}$ = $\vec{0}$

Để lực căng dây bằng 0 thì lực từ $\vec{F}$ phải cân bằng với trọng lực tác dụng lên đoạn dây.

Do $\alpha$ = $\large \frac{\pi }{2}$ ⇒ F = P ⇒ BIl = mg ⇒ I = $\large \frac{mg}{Bl}$

I = $\large \frac{0,05.10}{0,5.0,2}$ = 5A

Dùng quy tắc bàn tay trái thì dòng điện có chiều từ A đến B.